水动力条件对煤层气赋存的控制作用研究

夏　朋　赵　凯　李照阳　王　俊

[摘要]煤层气的赋存受到多种地质因素的综合控制，水文地质条件作为其中的影响因素之一主要从运移逸散、水力封堵、水力封闭等方面对煤层气的赋存进行控制。基于地下水动力模式与煤层气的储存、运移、富集和逸散之间的密切联系，较为全面的分析不同水动力条件对煤层气的控气作用过程，以阐释水动力条件对煤层气赋存的作用机理。

[关键词]煤层气 水动力条件 水动力模式 控气作用

中图分类号：TK7文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0120105－01

煤层气主要以吸附状态赋存在煤的孔隙中，其富集成藏受到多种地质因素的综合控制作用。煤层气的保存是岩性封存、构造封存、水动力封存共同作用的结果，而富集则由其生成、储集、封盖、保存等方面条件决定。水文地质条件作为煤层气地质控制因素之一，对煤层气的富集成藏有着重要的影响，尤其在影响低煤阶煤层气富集成藏的因素中，更扮演着非常重要的角色。以下笔者从水动力条件对煤层气控气作用的差异性研究阐释水文地质条件对煤层气富集的重要影响。

一、水动力的控气作用机理

煤层气的控气作用机理分为水力运移逸散控气、水力封闭控气和水力封堵控气，其中，第一种作用导致煤层气散失，后两种作用有利于煤层气保存。

（一）水力运移逸散控气

水力运移逸散控气作用主要见于断层发育地区。断层为开放断层呈导水性质，导水断层或断裂带裂隙沟通煤层与含水层，完整的补、径、排系统。若含水层富水性、水动力强、含水层与煤层水力联系较好，则地下水在运动过程中携带煤层中气体运移而逸散。与煤层有水力联系的含水层，包括煤系下伏灰岩岩溶裂隙含水层、煤系中灰岩岩溶裂隙含水层、砂岩孔裂隙含水层、基岩孔裂隙含水层和第四系松散孔隙含水层。

（二）水力封闭控气

水力封闭控气作用常发生在构造简单的宽缓向斜中。断裂不甚发育且断裂构造多为压性断裂，具有挤压、逆掩性质，导水能力差。煤层顶、底板均有良好的隔水层，区域水文地质条件简单。

煤系中砂岩裂隙含水层为煤层中直接充水含水层。其含水性微弱，渗透系数低，地下水径流缓慢甚至停滞。含水层补给局限于浅部露头的少量大气降水补给。地下水在静水压力、重力驱动方式下流动。地下水呈封闭状态，对煤层气有封隔作用。煤层气受水力封闭作用而富集，煤层气含量较高。

（三）水力封堵控气

水力封堵控气作用常见于不对称向斜或单斜中。当煤储层和煤系围岩含水层地下水流向与煤层气运移方向相反时，地下水的流动一方面可以对煤层甲烷在静压力作用下顺层向浅部的运移产生一定的阻力，减缓煤层气的运移速度。另一方面又可携带在流动过程中溶解的部分煤层气向深部聚集，因而有利于煤层气富集。含水层从露头接受补给，地下水沿煤层由浅部向深部运动，将煤层中解吸的气体封堵，致使煤层气聚集。

二、地下水动力模式对煤层气的成藏作用

（一）单斜区水动力模式

单斜区水动力模式的地下水补给、径流、排泄区的分布与地下水的流向一致。这种模式往往与补排方向一致的断裂构造形成地下水强径流带，有利于煤层气的溶解、运移和逸散；地下水由浅部向深部运动过程中，速度逐渐趋缓，在局部地段可能出现滞留区并造成煤层气的富集，也可能在阻水断层一侧或顶板裂隙地段富集起来。补给区通常位于矿区之上的山区，排泄区穿过矿区，地下水径流长度一般10-30km。（以下以晋城矿区为例加以说明）。

晋城矿区的东区和西区均属于单斜水动力模式类型。东区煤田分布区处于地下水径流区，存在两条径流带，地下水力梯度小，含水层渗透系数大，地下水运动速度快，形成负压，煤层气随水的流动解吸流出；深部主要煤层与顶板含水层直接接触，部分煤层气逸散进入邻近岩层与水共存。根据以上水文地质特征可推断，本区煤层气在浅部易逸散，深部受地下水驱动和溶解，随泉水排泄。所以本区水文地质条件不利于煤层气的保存，煤层气含量低，但在晋获断裂带东侧煤层其可能有所保存。

（二）大型盆地水动力模式

大型盆地的地下水补给和排泄均位于盆地的边缘，盆地的边沿为地下水的强烈循环带。地下水沿补给区向排泄区运动，在排泄区以泉水的形式流出。在盆地边沿，水力梯度较大，地下水流速较快，促使吸附态的煤层气解吸，并驱动煤层中甲烷随水沿煤层流动，因此在盆地边沿煤层气受到水力运移，不利于煤层气的富集；随着煤层埋深的增加，水流速度逐渐减缓，在盆地深部形成滞留区，利于煤层气的富集。（以下以潞安矿区为例加以说明）。

潞安矿区东部为地下水补给区，排泄区在盆地的边缘，与补给区重合。地下水由补给区以两条南北方向的径流向泉水处排泄。在盆地浅部地下水循环较快，为强径流带，至深部地下水循环逐渐变缓，形成地下水滞留区，利于煤层气的保存。

（三）小向斜水动力模式

小向斜地区地下水的排泄区可能存在于向斜的轴部，其煤层位于地下水的径流区。相对而言，它的强径流带比较发育，地下水的流速较快，水流距离一般在10km左右，而滞留区的范围小，主要通过水力运移逸散的方式对煤层气作用，从而不利于煤层气的富集和保存。（以下以六盘水地区为例说明）。

六盘水地区的大部分矿区的水动力模式以小向斜为主。本区地下水主要接受降水的补给，之后以暗河的形式在灰岩分布区以泉水出露，地下水由向斜的斜翼部向轴部和倾伏方向径流，最终以泉水形式排泄。该区浅部含水层的径流较好，不利于煤层气的富集，越往深部，径流缓慢或处于滞流状态，对煤层气的保存较有利，但由于大量的气体在浅部已逸散掉，深部的气体量较少。总体来说，小向斜地区对煤层气的保存较差。

（四）断块区水动力模式

断块区水动力模式的地下水运动和交替条件较差，煤层气在水力运移、驱赶下随地下水流动直至断裂带附近。若断层为开放断层，则水流在断层处排泄，煤层气在断层处逸散；若断层为压性断层，则水流在断层附近受阻，煤层气在断层处富集。

（五）厚冲积层覆盖区水动力模式

厚冲积层覆盖区水动力模式较为简单，基岩被厚度较大的松散的第四系冲积层覆盖。地下水受降水补给后，以垂直渗入的形式向下运动，垂直运动路径较长。由于阻力的作用以及冲积层内水的逐渐饱和，进入煤层后水的流动速度逐渐放慢，交替缓慢，有利于煤层气的富集。

（六）多级排泄水动力模式

多级排泄水动力模式中，地下水沿地层的走向流动。在浅部煤层段，水力梯度较大，水流运动较迅速，发育强径流带，浅部煤层在水流的驱动下发生煤层气的大量溶解、负压驱动，并随水运移在不同深度的煤层段排泄而逸散，利于煤层气的保存。随着水逐渐向深部流动，水流速度逐渐变缓，交替缓慢，并在深部形成滞流区，在较大的地下水压力下，有利于煤层气的保存，煤层气相对富集。

三、结语

水文地质条件是影响煤层气赋存的一个重要因素，对煤层气的保存、运移影响很大，对煤层的开采也至关重要，而水动力条件则是影响水文地质条件控气作用的主要因素。水动力条件对于煤层气既具有保存聚集煤层气的作用，也可导致煤层气的运移和逸散。水动力活跃与否直接影响这煤层气的保存和富集。对地下水的循环特点，含水层的补、径、排系统，径流区与滞留区分布，排泄区与补给区的相对位置，地形特征等进行研究，划分出勘探区的地下水动力模式，对于推断煤层气的赋存状况，有利勘探区的评价以及开采选区具有重要的意义。

参考文献：

[1]傅雪海、秦勇、韦重韬，煤层气地质学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.

[2]张新民、庄军、张遂安，中国煤层气地质与资源评价[M].北京：科学出版社，2002.

[3]桑树勋、秦勇、傅雪海等编著，陆相盆地煤层气地质[M].徐州：中国矿业大学出版社，2001.

[4]叶建平、武强、王子和，水文地质条件对煤层气赋存的控制作用研究[J].煤炭学报，2001.10(5):459-462.

作者简介：

夏朋，男，汉族，江苏淮安人，中国矿业大学本科在读，研究方向为矿产资源普查与勘探；赵凯，男，汉族，陕西咸阳人，中国矿业大学本科在读，研究方向为矿产资源普查与勘探；李照阳，男，汉族，河北唐山人，中国矿业大学本科在读，研究方向为矿产资源普查与勘探；尹超，男，汉族，河南郑州人，中国矿业大学本科在读，研究方向为矿产资源普查与勘探。